上海暖通舒适系统展

2024上海国际暖通空调与舒适系统展览会

COMFORTECO CHINA 2024

2024年6月3-5日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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热泵技术应用现状与前景展望

由中国科学院文献情报系统双碳战略研究团队运营的“双碳情报”公众号正式上线!重点跟踪报道主要国家和重要组织双碳相关战略规划、政策法规、发展路线图、重大计划、重点项目等动态讯息,监测分析双碳领域国际前沿科技热点和发展态势。

 

热泵技术应用现状与前景展望

 

随着全球推进碳中和行动,加快能源结构转型已成为各国共识。国际能源署(IEA)预测,2050年将有26亿人生活在同时需要供暖和制冷的地区,由可再生能源驱动的热泵(Heat pumps)兼具供暖及制冷功能,还有助于温室气体减排,可能成为新建筑和供暖改造的首选。《麻省理工科技评论》评出的“2024年十大突破技术”中就包括热泵,这是一种在高位能(电能、热能)的驱动下,将低位热源的热能转移到高位热能的节能装置,广泛应用于建筑采暖/制冷、工业、农业和交通等领域。按利用热源种类,热泵装置可分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵三大类。目前热泵热效能转换效率(COP)为300%~400%以上,制冷采暖效率是传统燃气锅炉的3~5倍。热泵技术作为绿色低碳的热能供应方案,是供热领域替代化石能源、实现碳中和的必然路径。本文从国内外热泵发展现状、行业情况、技术发展前沿等角度,全方位展示目前全球热泵技术与部署的进展情况。

 

一、国外热泵发展现状

 

目前欧美等20多个主要经济体已将热泵提升到国家战略层面,相继制定发展规划、路线图以及相关扶持政策。包括但不限于补贴或减税、低息贷款、能效法规、高碳税、技术禁令等方式,加速热泵推广,提升热泵市场普及率。

 

美国作为全球最大经济体,不断出台支持热泵相关政策,加速提升能源效率和电气化水平。2023年11月,美国能源部(DOE)宣布提供高达1.69亿美元的资助以加速全国15地的电热泵及其关键部件制造。2024年2月,DOE在此基础上又宣布提供6300万美元的资助,以加速全美住宅电热泵、热泵热水器以及其他组件的国内制造增长。2023年,全美空气源热泵出货量达361.7万台,美国气候联盟提出到2030年联盟内的热泵安装量达到2000万台的目标。

 

欧洲将热泵作为电气化的重要战略布局,长期渗透率提升趋势较为明确。2022年5月,欧盟委员会推出REPowerEU计划,明确要将热泵的部署速度提高1倍,在5年内累计部署1000万台。根据欧洲热泵协会数据显示,2022年,欧洲21个国家的热泵销量达到300万台,同比增长37%,创下历史新高。2024年2月,欧盟就《净零工业法案》达成临时协议,提出到2050年热泵部署增加6倍。

 

英国净零排放目标的实现必须提高建筑领域的电气化程度,通过热泵技术电气化供暖,成为其中的重要选择之一。2023年3月,英国碳预算交付计划提出大规模部署热泵,英国气候变化委员会主张迅速增加热泵的部署数量,要从2021年每年部署的5.5万台增加到2028年的60万台。2024年2月,英国公共部门脱碳计划已进行到第四阶段,政府确认向公共部门提供高达11.7亿英镑的资金安装热泵等低碳供暖系统。英国还推出锅炉升级计划,为用热泵取代化石燃料锅炉的住户提供5000英镑补助,补助旨在降低热泵安装成本,并让热泵在家庭取代天然气和石油供暖时成为一种可行的替代方案。

 

二、我国热泵发展现状

 

我国热泵行业受益于国家气候安全及能源安全战略的长期性和确定性,有望长期享受政策红利。国家大力支持热泵发展,在可再生能源、建筑节能、新能源技术推广应用等方面颁布了相应的政策文件。2021年10月,国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》提出推进终端用能领域以电代煤、以电代油,推广新能源汽车、热泵、电窑炉等新型用能方式。2022年7月,住房和城乡建设部、国家发展改革委出台《城乡建设领域碳达峰实施方案》,指出要推广空气源等各类电动热泵技术,推广热泵热水器、高效电炉灶等替代燃气产品。2023年4月,国家能源局发布《2023年能源工作指导意见》,积极推广地热能、太阳能供热等可再生能源非电利用。各种政策文件直接或间接地推动了地热产业和地源热泵技术的应用发展。

 

“十四五”期间,我国大部分省份均已提出地区地热能开发或地源热泵行业的发展方向及目标。例如加快浅层地热和中深层地热资源开发利用,打造地热能高效开发利用示范区,加快推广地源热泵及技术应用等,详见表1。

 

表1  “十四”五期间全国各省(市、区)鼓励发展地源热泵政策要点

 
地区政策要点
北京到2025年,全市新增浅层地源热泵供暖面积2000万平方米,新增中深层地热热泵供热面积200万平方米
河北利用地源热泵,加快推广浅层地温能和中深层地热资源开发利用
河南扩大浅层地热规模,优先发展土壤源热泵,积极发展再生水源热泵
甘肃推动地热能分区分类利用、井下换热技术应用和浅层地热能开发利用
陕西大力推进关中地区中深层地热能供热、浅层供热制冷
山东推动浅层土壤源能源利用技术升级,形成适宜的、多元化的清洁供热解决方案
贵州到2025年,浅层地热能利用面积达到2500万平方米;2030年达到5000万平方米
湖南到2025年,新增浅层地热能建筑应用面积占新建建筑面积比例达10%
江苏到2025年,全省新增地热能建筑应用面积300万平方米,推广热泵分散供暖方式
安徽鼓励建设地下水水源型或地埋管型地源热泵系统
江西在大型公共建筑和星级绿色建筑中鼓励浅层地温能热泵技术应用
 

热泵行业受国内外需求高涨,发展加快,空气源热泵为市场主流。从国际来看,能源危机催化下热泵成为欧洲各国首选的供暖方式,我国热泵出口迎来机遇,产品在欧洲地区的渗透率进一步提升。从国内来看,随着国民生活水平不断提高,绿色环保意识增强,消费者更偏好环保、便利、高效的热泵产品。从产品销售类型来看,空气源热泵是占比最大的细分种类,占比91.5%,其次为水源热泵和地源热泵,占比6.4%,其它热泵占比2.1%。2022年我国空气源热泵产业内销市场规模为211.6亿元,同比增长6.3%,出口市场规模为69.5亿元,同比增长43.0%。

 

我国作为全球重要的热泵主要生产地,产业链日臻完善,2022年热泵产量占全球50%以上。热泵产业链由上游零部件制造商、中游整机制造商及下游应用构成。上游核心零部件包括压缩机、阀件、换热器、变频控制器、水泵水箱等,代表企业包括海立股份、三花、盾安、利欧股份等。中游整机包含空气源热泵、水地源热泵以及热泵与其他热源的组合系统,其中空气源热泵下细分热水、采暖、烘干、干衣机及特种应用。下游应用广泛,包括建筑、工业、农业、交通等领域,涵盖建筑供暖制冷、热水供应、工业干燥、农业温室、汽车空调等诸多应用场景。从企业占有率来看,2022年,海尔、美的、格力三大家用电器巨头的空气源热泵市场占有率占比位列前三,但总市场占有率仅有34.4%,行业集中度有望进一步提升。

 

热泵减排潜力巨大。2060年建筑供暖和热水供应碳排放降至2.71亿吨,潜在减排量达到30.81亿吨,其中建筑部门8.9%,工业生产21.3%,农业环境调控1.2%,其中热泵减排总量达20.95亿吨,占潜在减排量的70%。

 

三、热泵技术发展前沿

 

我国热泵技术专利数量及份额位居全球第一,其中热门技术方向和发展动态集中在热泵机组系统及核心部件。

 

从全球分布来看,各国热泵实用新型及发明授权专利占全球比例最高的前五位国家分别是中国(7872件)、韩国(155件)、日本(46件)、美国(32件)和欧洲专利局(12件),占比分别为95.28%、1.88%、0.56%、0.39%和0.15%。

 

从技术构成来看,以F25B小类(制冷机,制冷设备或系统;加热和制冷的联合系统;热泵系统)、F24F(空气调节、空气增湿、通风、空气流作为屏蔽的应用)和F24D(住宅或区域供热系统;生活热水供应系统;其原件或部件)等小类为核心,关键技术有高效气冷变频驱动技术、涡旋喷气增熔技术、智能除霜技术等。

 

从主题聚类和专利申请机构来看空气源热泵包括低温空气源热泵、多能互补、室外换热器、除霜控制、粮食烘干、余热回收等主题。韩国申请机构有韩国电力(Korea Electric Power Corporation)、LG乐金电子(LG Electronics Inc)等,欧洲专利局申请机构有开利公司(Carrier Corporation)、日本大金欧洲公司(Daikin Europe N.V.)等。水源热泵包括高温水源热泵机组、污水源热泵、海水源热泵、生活热水、水蒸汽压缩机、双蒸发器等主题。美国申请机构有日本大金美国公司(Daikin Applied Americas Inc)等。地源热泵包括土壤源热泵、地源热泵机组、地埋管换热器、分集水器、地下换热器、供热系统等主题。韩国申请机构有三星工程公司(Samsung Eng Co Ltd)、韩国能源研究所(Korea Institute of Energy Research)等,日本有日铁工程公司(Nippon Steel Engineering Co Ltd)、三菱电机公司(Mitsubishi Electric Corp)等。

 

从技术应用来看,在建筑领域,热泵可代替锅炉和常规冷水机组为建筑进行供暖和制冷(与燃煤锅炉相比,可降低60%-80%的二氧化碳排放量)。在工业领域,通过热泵回收工业余热、废水余热用于供暖,热泵工业干燥等也在迅速推广。在农业领域,热泵可应用于农业生产环境调控,如农产品温室、水产养殖温室、畜禽养殖舍。在交通领域,热泵汽车空调是维持冬季乘员舱的热环境最有潜力的解决方案,多种车型已经开始应用。

 

四、未来热泵技术发展的新趋势

 

一是热泵多场景应用设备研发。目前中低温热泵(60~90摄氏度)的技术相对较成熟,已有大量商业化产品,拓展热泵应用范围是发展方向之一。包括开发出适用工业的高温热泵、满足严寒地区空气源热泵的超低环境温度热泵和适用于汽车应用场景的交通热泵。

 

二是低全球变暖潜能值(GWP)工质及相关技术研发。目前热泵及制冷设备的制冷剂,无论氢氟碳化物类还是混合物制冷剂的性能均有待进一步提高。未来制冷工质主要有三大发展方向,包括工质替代、减少制冷剂泄露、特殊应用场景工质研发。

 

三是热泵与蓄热、蓄能技术结合。可再生能源电力、各类余热或自然热源均具有波动性或季节差异性,热泵与蓄热技术、蓄能技术结合,可帮助电力系统进行调峰,降低供热运行费用,改善跨季节蓄能的稳定性和经济性。

 

四是智能互联与AI优化控制。热泵技术与物联网、大数据及人工智能深度融合,通过智能感知环境变化与用户需求,匹配热泵系统源、网、荷、储各个环节,实现整体能效提升。

 

五是多源化耦合与多能互补。未来热泵将进一步拓宽低品位热源来源,集成多种可再生能源,如太阳能、风能等,实现多源耦合利用。同时,促进空气源、水源、地源等多种类型热泵的复合应用,以适应不同地域条件和应用场景,提高能源利用的整体效能。

 

(文章来源:双碳情报)

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